JP4741190B2 - Short arc type high pressure discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、放電管を備えた直流駆動用のショートアーク型高圧放電ランプであって、前記放電管は直径方向で反対側に取り付けられた2つのネックを有し、前記のネック中に、それぞれタングステンからなるアノード及びカソードが気密に融着されていて、かつ前記の放電管には少なくとも1種の希ガス並びに場合により水銀からなる封入物を有するショートアーク型高圧放電ランプに関する。この種のランプは、特にウェハの露光のための半導体工業におけるマイクロリソグラフィー用の水銀アークランプとして、及び映画館投影器用及びビデオプロジェクター用のキセノンアークランプとして使用される。 The present invention is a short-arc type high-pressure discharge lamp for direct current drive provided with a discharge tube, the discharge tube having two necks attached on opposite sides in the diametrical direction, The present invention relates to a short arc type high-pressure discharge lamp in which an anode and a cathode made of tungsten are hermetically fused, and the discharge tube has at least one rare gas and, optionally, an enclosure made of mercury. This type of lamp is used as a mercury arc lamp for microlithography, particularly in the semiconductor industry for wafer exposure, and as a xenon arc lamp for cinema projectors and video projectors.
露光プロセス用に使用される水銀−ショートアーク型高圧放電ランプは、紫外波長領域において(部分的には数ナノメートルの波長に制限されて)高い光度を提供しなければならず、その際にこの発光は小さな空間領域に制限される。 Mercury-short arc high pressure discharge lamps used for the exposure process must provide high luminosity in the ultraviolet wavelength region (partially limited to wavelengths of a few nanometers). Luminescence is limited to a small spatial area.
最も小さな空間での強力な発光は、同様に映画館投影器及びビデオプロジェクター用のキセノンアークランプに関しても必須な要求である。 Strong light emission in the smallest space is an essential requirement for xenon arc lamps for cinema projectors and video projectors as well.
このことから導き出される高輝度の要求は、狭い電極間距離での直流−ガス放電により達成することができる。この場合に、カソードの前でより高い発光を有するプラズマが生じる。プラズマ中への強い電気エネルギー結合により、特にカソードでは材料を損なってしまう程の電極温度が生じる。 The high brightness requirement derived from this can be achieved by direct current-gas discharge at a narrow interelectrode distance. In this case, a plasma with higher emission occurs in front of the cathode. Due to the strong electrical energy coupling into the plasma, an electrode temperature is created which can damage the material, especially at the cathode.
この種のカソードは、従って今までは有利に酸化トリウムThO2からなるドーパントを含有し、この酸化トリウムはランプ稼働の間にトリウムThに還元され、この金属の形でカソード表面上に移動し、かつこのカソード表面上でカソードの仕事関数の低下を引き起こす。 This kind of cathode thus far advantageously contains a dopant consisting of thorium oxide ThO 2 , which is reduced to thorium Th during lamp operation and migrates in the form of this metal onto the cathode surface, Moreover, the work function of the cathode is lowered on the cathode surface.
この仕事関数の低下と共に、カソード駆動温度は低減し、この低減によりカソード寿命は延長される、それというのも低下させた温度ではカソード材料はあまり蒸発しないためである。 Along with this decrease in work function, the cathode drive temperature decreases, and this decrease extends the cathode life because the cathode material does not evaporate much at the decreased temperature.
ドーパントとしてのThO2の今まで有利な使用は、ドーパントの蒸発が比較的少なく、従ってランプバルブ内での有害な沈着(黒化、被膜)が僅かになるという事実に基づいている。ThO2のこの優れた特性は、その酸化物(3323K)の及び金属(2028K)の高い融点と関連している。 The advantageous use of ThO 2 as a dopant up to now is based on the fact that the evaporation of the dopant is relatively low and thus there is little harmful deposition (blackening, coating) in the lamp bulb. This excellent property of ThO 2 is associated with the high melting point of its oxide (3323K) and metal (2028K).
しかしながら電極焼損はトリウム添加されたカソードの場合でも避けられないため、直流型ガス放電ランプの場合にこの寿命はカソード焼損により制限される。これは、特に本願発明の場合のように電極間距離が短いランプの場合には欠点である、それというのもこの場合には僅かな電極間距離がランプの照明技術的特性を著しく変化させてしまうためである。しかしながら、ThO2の使用の決定的な欠点はその放射性にあり、この放射性は予備材料製造においてランプ製造において取り扱い時に保護措置を必要とする。生成物の活性に応じて、このランプの貯蔵、稼働及び廃棄の際の条件も留意しなければならない。 However, electrode burnout is unavoidable even in the case of a cathode to which thorium has been added, so this lifetime is limited by cathode burnout in the case of a direct current gas discharge lamp. This is a disadvantage especially in the case of a lamp with a short interelectrode distance, as in the present invention, because in this case a small interelectrode distance significantly changes the illumination technical characteristics of the lamp. It is because it ends. However, the decisive drawback of using ThO 2 is its radioactivity, which requires protection measures during handling in the manufacture of lamps in the production of pre-materials. Depending on the activity of the product, the conditions for storage, operation and disposal of this lamp must also be noted.
この環境問題の解決策は、20Aより大きい高い駆動電流のランプ(例えばマイクロリソグラフィー又はプロジェクター工業において使用される)の場合に、このランプが電極のサイズに基づき特に高い活性を有するために、特に重大である。 The solution to this environmental problem is particularly significant in the case of high drive current lamps greater than 20A (for example used in the microlithography or projector industry) because this lamp has a particularly high activity based on the size of the electrode. It is.
従って、多くのトリウム代替物質が調査されていた。この例は、Metallurgical Transactions A, vol.21A, Dec 1990, p. 221-3236に記載されている。マイクロリソグラフィー又は映画館投影器用のランプの場合に代替材料の商業的使用は成功しなかった、それというのも全ての代替材料はThO2と比較して気化しやすいことによりバルブ皮膜が顕著に形成されるためである。 Therefore, many thorium substitutes have been investigated. This example is described in Metallurgical Transactions A, vol. 21A, Dec 1990, p. 221-3236. In the case of lamps for microlithography or cinema projectors, the commercial use of alternative materials has not been successful, since all alternative materials are more easily vaporized compared to ThO 2 , resulting in a noticeable bulb coating. It is to be done.
マイクロリソグラフィーの場合では、露光装置の生産性は、このランプが提供する光量に決定的に依存する。バルブ被膜及び電極焼損は、供給可能な有効光を減少させ、かつ露光時間の増加に基づき極めて高価な装置の生産性を損なってしまう。 In the case of microlithography, the productivity of the exposure apparatus is critically dependent on the amount of light provided by this lamp. Bulb coating and electrode burnout reduce the available light that can be supplied and reduce the productivity of very expensive equipment based on increased exposure time.
本発明による課題は、電極材料中に放射性ドーパントなしで、達成された先行技術に電極焼損に関して全く劣らないか又は僅かに劣っているにすぎないほど僅かな電極焼損を保証し、かつランプバルブ中の皮膜形成はランプ寿命にわたり可能な限り低減される、請求項1の上位概念に記載のショートアーク型高圧放電ランプを提供することである。 The problem according to the invention is to ensure that the electrode material is not so inferior or slightly inferior in terms of electrode burnout to the prior art achieved without radioactive dopants in the electrode material and in the lamp bulb. It is to provide a short arc type high pressure discharge lamp according to the superordinate concept of claim 1, wherein the film formation of is reduced as much as possible over the lamp life.
前記の課題は、請求項1の上位概念に記載されたショートアーク型高圧放電ランプにおいて、少なくともカソード先端部の材料が、タングステンに対して付加的に酸化ランタンLa2O3と、HfO2及びZrO2のグループからなる少なくとも1種の他の酸化物とを含有することにより解決される。 In the short arc type high-pressure discharge lamp described in the superordinate concept of claim 1, the above-mentioned problem is that at least the material of the cathode tip is additionally lanthanum oxide La 2 O 3 , HfO 2 and ZrO in addition to tungsten. It is solved by containing at least one other oxide consisting of two groups.
多様なドーパントの組み合わせに関する調査により、La2O3をベースとするこの混合酸化物が皮膜形成及び電極焼損に関して良好な結果を示すことが判明した。カソード先端部又は全カソードのLa2O3のドープ量は、カソード材料の1.0〜3.5質量%、有利にカソード材料の1.5〜3.0質量%である。他の酸化物又は炭化物の添加により、更なる改善が達成されることを調査した。少量のZrO2及び/又はHfO2の添加により、エミッター蒸発に関する特性の更なる改善を達成できることが示された。ZrO2及びHfO2のモル量は、この場合、有利にLa2O3のモル量の少なくとも2%であるのが好ましいが、同時にLa2O3のモル量を上回らないのが好ましい、それというのも光束に対して有利な影響は常にカソードの焼損を高めることを伴うためである。HfO2の重量割合がLa2O3の0.65倍以下であり、ZrO2の重量割合がLa2O3の0.38倍以下である場合に、La2O3の過剰量が保証される。 Investigations on various dopant combinations have shown that this mixed oxide based on La 2 O 3 gives good results with respect to film formation and electrode burnout. The doping amount of La 2 O 3 at the cathode tip or all the cathodes is 1.0 to 3.5% by weight of the cathode material, preferably 1.5 to 3.0% by weight of the cathode material. It was investigated that further improvements were achieved by the addition of other oxides or carbides. It has been shown that addition of small amounts of ZrO 2 and / or HfO 2 can achieve further improvements in properties related to emitter evaporation. The molar amount of ZrO 2 and HfO 2 is in this case advantageously is preferably at least 2% of the molar amount of La 2 O 3, preferably not simultaneously exceed the molar amount of La 2 O 3, that it This is because the advantageous effect on the luminous flux always involves increasing the burnout of the cathode. Weight ratio of HfO 2 is not more than 0.65 times the La 2 O 3, when the weight ratio of ZrO 2 is less than 0.38 times the La 2 O 3, an excess amount of La 2 O 3 is assured The
この第2の酸化物の添加は、ランプ駆動の間の光束及び電極焼損に関して重大な影響を及ぼす。1.75kWの出力、カソード先端部のLa2O3含有量2.0質量%並びに他の酸化物を有する水銀アークランプは、稼働時間1500hの後の試験で次の結果を示した: The addition of this second oxide has a significant effect on the luminous flux and electrode burnout during lamp operation. Mercury arc lamps with an output of 1.75 kW, a cathode tip La 2 O 3 content of 2.0 wt% and other oxides showed the following results in tests after 1500 hours of operation:
トリウム添加されたカソード(ThO2 2質量%)の使用の場合には次の値が観察された: The following values were observed when using a thorium-doped cathode (ThO 2 2 wt%):
La2O3ドープされたカソードの使用の際に、ZrO2及び/又はHfO2の形の第2の酸化物を添加することにより、純粋なキセノンアークランプの光束特性を改善することを同様に証明することができた。この酸化物の添加は、急速なバルブ皮膜形成を生じさせるドーパント物質の著しい漏出も抑制する。 Similarly to improving the luminous properties of pure xenon arc lamps by adding a second oxide in the form of ZrO 2 and / or HfO 2 when using a La 2 O 3 doped cathode. I was able to prove. The addition of this oxide also suppresses significant leakage of dopant material that causes rapid valve film formation.
トリウム不含の材料からなるカソードは、その特性に関して、特に混合酸化物を使用した場合に、より大きなアーク形成を示す。このようなカソードの最適な焼損は、カソードのプラトー部サイズを相応して適合される場合に保証される。プラトー部サイズが適合されていない場合に、このアークはプラトー部(Plateau)の縁部に接して形成されるか(プラトー部が大きすぎる場合)もしくはプラトー部の縁部をさらに越える(プラトー部が小さすぎる場合)。両方の場合では、最適でないプラトー部サイズにおいて、電極損傷及びそれに関連してより高い焼損が確認可能となる。このプラトー部は平坦でも湾曲状にも構成されていてもよいため、最適なプラトー部サイズは、技術的には、カソード先端部の後方の0.5mmの距離でのカソード中の電流密度のデータにより規定することが最良である。La2O3並びにZrO2及び/又はHfO2でドープされたカソードの場合の試験は、このカソード焼損が、カソード中の電流密度J、つまりAで示すランプ電流Jと、カソードの後方の端部に向かってカソード先端部から0.5mmの距離での有効面積Sとの商が、水銀/希ガス−封入物の場合では5よりも小さくなく、150A/mm2よりも大きくなく、及び純粋な希ガス−封入物の場合には25よりも小さくなく200A/mm2よりも大きくないカソード材料において、できる限り僅かに維持できることを示した。 Cathodes made of thorium-free materials exhibit greater arc formation with respect to their properties, especially when mixed oxides are used. Such an optimum burnout of the cathode is assured if the cathode plateau size is adapted accordingly. If the plateau size is not adapted, this arc is formed in contact with the edge of the plateau (if the plateau is too large) or further beyond the edge of the plateau (if the plateau is If it is too small). In both cases, electrode damage and associated higher burnout can be seen at sub-optimal plateau sizes. Since this plateau may be configured to be flat or curved, the optimal plateau size is technically the current density data in the cathode at a distance of 0.5 mm behind the cathode tip. Is best defined by Tests in the case of cathodes doped with La 2 O 3 and ZrO 2 and / or HfO 2 show that this cathode burnout is the current density J in the cathode, ie the lamp current J indicated by A, and the rear end of the cathode. The quotient with the effective area S at a distance of 0.5 mm from the cathode tip is not less than 5 in the case of mercury / rare gas-filled, not greater than 150 A / mm 2 , and pure In the case of the noble gas-encapsulation, it was shown that it can be maintained as little as possible in the cathode material which is not smaller than 25 and not larger than 200 A / mm 2 .
図面の簡単な説明
次に、本発明を、実施例を用いて詳説する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Next, the present invention will be described in detail with reference to examples.
図1は、本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプの断面図を表す
図2は、図1による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプのカソードの詳細な断面図を表す
図3は、本発明によるキセノン−ショートアーク型高圧放電ランプの部分断面図を表す
図4は、図3によるキセノン−ショートアーク型高圧放電ランプの電極装置の拡大図を表す。
FIG. 1 represents a cross-sectional view of a mercury-short arc type high-pressure discharge lamp according to the present invention. FIG. 2 represents a detailed cross-sectional view of a cathode of the mercury-short arc type high-pressure discharge lamp according to FIG. 4 represents a partial cross-sectional view of a xenon-short arc type high pressure discharge lamp according to FIG. 4. FIG. 4 represents an enlarged view of the electrode device of the xenon-short arc type high pressure discharge lamp according to FIG.
図1は、1.75kWの出力の、本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプの断面図を示す。この放電ランプは、楕円形に成形されている石英ガラスからなるバルブ2を有する。このバルブ2の対峙する側に2つの端部3が続いていて、この端部3はネック部4として構成されかつそれぞれ保持部8を内部に有している。このネック部は前方の円錐部4aと後方の円柱部4bとを有し、前記の円錐部4aは石英ガラスからなる支持管5を保持部の主要な構成要素として有し、前記の円柱部4bは封止用の溶融部を形成する。この前方の円錐部4aは5mmの長さの引き込み部6を有する。この引き込み部に続いてそれぞれ、中心に穿孔を備えた支持管5が設けられていて、この支持管5は円錐状に形成されている。この支持部5の内径は7mmであり、前方の端部の外径は11mmであり、最も後方の端部の外径は15mmである。この範囲内のバルブ2の壁厚は約4mmである。この支持管の軸方向の長さは17mmである。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a mercury-short arc type high-pressure discharge lamp according to the invention with an output of 1.75 kW. This discharge lamp has a bulb 2 made of quartz glass formed into an elliptical shape. Two
第1の支持管の穿孔中には、6mmの外径を有するカソード7のシャフト10が軸方向に案内されていて、このシャフト10は放電空間内にまで達し、かつその箇所に一体式のヘッド部25を有している。このシャフト10は支持管5を経由して後方にまで延びていて、皿部12で終端となり、この皿部12に続いて封止用溶融部が円柱状の石英ブロック13の形で設けられている。その後方に第2の皿部14が続き、この第2の皿部14は中心にモリブデン棒15の形の外部電流リード部を保持する。石英ブロック13の外面にはモリブデンからなる4枚の箔16が公知のようにその面に沿って案内されていて、かつバルブネックの壁部と気密に融着している。
During drilling of the first support tube, the
同様にして、別個のヘッド部18とシャフト19とからなるアノード26は、第2の支持管5の穿孔中に保持されている。
Similarly, an
図2中には、カソード7と保持部8とが詳細に示されている。カソード7は、36mmの長さの円筒状のシャフト10と、20mmの長さのヘッド25とから構成されていて、その際にヘッド25はシャフトと同じく6mmの外径を有する。アノードに向かう側の、ヘッド25の端部は、60゜の先端角βを有する先端部11として構成されていて、0.5mmの直径を有するプラトー状の端部27を有する。この保持部8は、支持管5と、その支持管5の穿孔中の複数の箔とからなる。
In FIG. 2, the cathode 7 and the holding part 8 are shown in detail. The cathode 7 is composed of a
支持管5とシャフト10とを機械的に分離するために、箔24が複数回(2〜4層)シャフトの周囲に巻き付けられている。巻き付けられた箔24の上で相互に向かい合う一対の狭いシート23は支持管の固定のために用いられる。このために、この狭いシートは支持管を越えて放電側に張り出し、かつ外側に曲がっている。カソード7の先端部11の材料は、タングステンの他に、La2O3 2.0質量%並びにZrO2 0.5質量%のドーパントを有する。
In order to mechanically separate the
本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプは、134cm3の容量を有する放電管を有し、前記の放電管は常温封入圧力800mbarで水銀並びにキセノン603mgが封入されている。 The mercury-short arc type high-pressure discharge lamp according to the present invention has a discharge tube having a capacity of 134 cm 3 , and the discharge tube is filled with mercury and xenon 603 mg at a normal temperature sealing pressure of 800 mbar.
電極間距離4.5mmを有するランプの駆動電流は60Aである。プラトー先端部から距離0.5mmでのカソード中での電流密度Jは、ランプの駆動時に66A/mm2である。 The driving current of a lamp having a distance between electrodes of 4.5 mm is 60A. The current density J in the cathode at a distance of 0.5 mm from the plateau tip is 66 A / mm 2 when the lamp is driven.
図3には、純粋にXeが封入されている本発明によるショートアーク型高圧放電ランプ28が図示されている。3kWの入力のランプ28は、石英ガラスからなる回転対称のランプバルブ29を有し、このランプバルブ29の両端に、同様に石英ガラスからなる、それぞれ1つのランプネック30,31が取り付けられている。一方のネック30では、カソード33の電極棒32が気密に融着されていて、この電極棒32の内側の端部にカソードヘッド34を有する。他方のランプネック31では、同様にアノード36の電極棒35が気密に融着されていて、この電極棒35の内側の端部にアノードヘッド37が固定されている。ランプネック30,31の外側の端部には、保持のため及び電気的コンタクトのためにソケットシステム38,39が取り付けられている。
FIG. 3 shows a short arc type high-
図4から明らかなように、カソードヘッド34は、アノードヘッド37に向かう側の円錐形の端部34aと、電極棒32に向かう側の、円筒形及び円錐台形の部分を有する端部34bとから構成されていて、その際、この両者の端部34a,34bの間に、熱障壁溝として表される、同様に円筒形の、より小さな直径を有する部分34cが存在する。アノードヘッド37に向かう側の、カソードヘッド34の円錐形の端部34aの、40゜の円錐角αを有する先端は、0.6mmの半径Rを有する半球として構成されている。このランプ電流はこの場合100Aであり、かつこのランプ電流から得られる、カソード先端部の後方の0.5mmの基準面での電流密度は88A/mm2である。
As is apparent from FIG. 4, the
アノードヘッド37は、直径D22mmの円筒形の中央部37aと、2つの円錐台形の端部37b,37cとからなり、これらの端部はカソードヘッド34の側もしくは電極棒35の側に配置されている。カソードヘッド34に向かう側の円錐台形の端部37cは、直径6mmのプラトー部APを有する。両方の電極33,36の全ての部分はタングステンからなる。付加的に、カソードヘッド34の円錐形の端部34aはLa2O3 2.0質量%並びにHfO2 0.5質量%のドーパントを有する。
The
この両方の電極33,36は、ランプバルブ29の軸方向に、ランプの加熱状態で3.5mmの電極間距離もしくはアーク間距離となるように対峙するように取り付けられている。
Both the
Claims (8)
水銀/希ガス−封入物の場合には5≦J≦150
純粋な希ガス−封入物の場合には25≦J≦200
を満たす形状を有することを特徴とする、請求項1記載のショートアーク型高圧放電ランプ。The cathode (7) has an effective cathode area with respect to the surface resulting from the current density J during lamp operation, that is, the lamp current A, and the cross section of the cathode perpendicular to the lamp axis at a distance of 0.5 mm from the tip of the cathode. The quotient with mm 2 is the following formula:
In case of mercury / rare gas-filled, 5 ≦ J ≦ 150
In the case of pure noble gas inclusions, 25 ≦ J ≦ 200
The short arc type high-pressure discharge lamp according to claim 1, having a shape satisfying the above.
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